迪塞尔循环

迪塞尔循环（英语：Diesel cycle）是往复式内燃机中的一种热力学循环，常用在柴油引擎中。在迪塞尔循环中，燃料会注入到燃烧室中，之后燃烧室的气体会压缩，使燃料燃烧，产生热能。迪塞尔循环和四行程引擎中用的奥图循环不同，奥图循环会用火花塞点燃燃烧室中的燃料-空气混合物，而迪塞尔循环不需要火花塞。迪塞尔循环用在飞机柴油引擎（英语：Aircraft diesel engine）、汽车、发电、柴电动力、铁路机车等。

迪塞尔循环在燃烧一开始时假设是定压行程（下图中的 $V_{2}$ 至 $V_{3}$ ），这是理想的数学模型，实际上的迪塞尔循环在此部分的压力会增加，但没有奥图循环那么明显。相反的，理想的奥图循环在燃烧开始时假设是定容行程。

理想的迪塞尔循环

左图是理想迪塞尔循环的压力体积图（英语：Pressure volume diagram），其中 $p$ 是压强，V是体积，或是以单位质量为基础的分析，则是比容。理想的迪塞尔循环会有以下的四个过程：

过程1至2为流体的等熵压缩（蓝色）
过程2至3为流体的可逆定压加热（红色）
过程3至4为等熵膨胀（黄色）
过程4至1为可逆定容冷却（绿色）^[1]

迪塞尔引擎是热机，会将热转换为功（英语：Work (thermodynamics)）。在图中最下方的等熵过程（蓝色）中，能量以功 $W_{in}$ 的型式进入系统，但依照定义（等熵），没有热能流进系统或是由系统流出。在等压过程（红色）中，能量以热 $Q_{in}$ 的型式进入系统，最上方的等熵过程（黄色）中，能量以功 $W_{out}$ 的型式离开系统，依照定义（等熵），没有热能流进系统或是由系统流出。在等容过程（绿色）中，能量以热 $Q_{out}$ 的型式离开系统。系统对外产生的功等于外界对系统作的功加上进入系统的热能，再减去离开系统的热能，换句话说，系统产生的净功等于进入系统热能和离开系统热能的差。

输入功（ $W_{in}$ ）是由活塞压缩空气（系统）而产生
输入热（ $Q_{in}$ ）是由燃料燃烧而产生
输出功（ $W_{out}$ ）是由工作流体膨胀推动活塞而产生（输出可用的功）
输出热（ $Q_{out}$ ）是经由排放燃烧后气体而离开系统
产生的净功 = $Q_{in}$ - $Q_{out}$

产生的净功也可以用P-V diagram中所围住的区域来表示。每一次循环都会产生净功，也是可用的功，可以转换为其他型式的能量，例如推动车辆（动能）或是产生电能。将每次产生的功随着时间累加，即为产生的能量。 $W_{out}$ 也称为总功，其中有些会在引擎的下一个行程中消耗，用来压缩空气。

最大热效率

迪塞尔循环的最大热效率和压缩比以及停气比（cut-off ratio）有关，在一般条件进行分析，所得的热效率如下：

$\eta _{th}=1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}}\left({\frac {\alpha ^{\gamma }-1}{\gamma (\alpha -1)}}\right)$

其中

\eta _{th}

为热效率

\alpha

为停气比

{\frac {V_{3}}{V_{2}}}

（燃烧相的最后体积和启始体积的比例）

r

为压缩比

{\frac {V_{1}}{V_{2}}}

\gamma

为绝热指数（热容比，C_p/C_v）^[2]

停气比可以用以下和温度有关的式子来表示：

{\frac {T_{2}}{T_{1}}}={\left({\frac {V_{1}}{V_{2}}}\right)^{\gamma -1}}=r^{\gamma -1}

\displaystyle {T_{2}}={T_{1}}r^{\gamma -1}

{\frac {V_{3}}{V_{2}}}={\frac {T_{3}}{T_{2}}}

\alpha =\left({\frac {T_{3}}{T_{1}}}\right)\left({\frac {1}{r^{\gamma -1}}}\right)

$T_{3}$ 可以近似为燃料的火焰温度，火焰温度可以近似为燃料在对应空气-燃料比以及压缩压力 $p_{3}$ 下的绝热火焰温度（英语：adiabatic flame temperature）。 $T_{1}$ 可似近似为进气温度。

公式只表示了理想的热效率，实际热效率会因为热损失以及摩擦力损失，比理想效率要小很多。

奥图循环（汽油引擎）的理想热效率如下

$\eta _{otto,th}=1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}}$

迪塞尔循环公式比奥图循环复杂很多，原因是因为热是在定压过程时加入，是在定容过程时移除。而奥图循环的热是在定容过程时加入及移除，所以比较简单。

比较二个式子可以发现若压缩比 $r$ 相同，理想的奥图循环效率较高。但是柴油引擎整体效率会比汽油引擎要好，因为可以在较高的压缩比下操作。若是汽油引擎也在和柴油引擎相同的压缩比下，会出现爆震（自发火，self-ignition，在火星塞点火前就先燃烧）的情形，会大幅降低引擎效率。不过在柴油引擎中，自发火是理想的特性。而且此处提到的奥图循环公式没有包括节流损失（throttling losses），而实际的迪塞尔循环不会有节流损失。

应用

柴油引擎

柴油引擎是单一周期的大型内燃机引擎中，有最低燃料消耗比（英语：specific fuel consumption (shaft engine)）的引擎，非常大型的船用柴油引擎其数值为0.26 lb/hp·h （0.16 kg/kWh）（多周期的发电厂用引擎其效率更高，但其中有二个引擎而不只是一个）。二行程柴油引擎有高压的增压器（forced induction），特别是涡轮增压器，因此在很大型的柴油引擎中大部分会以二行程的为主。

在北美洲柴油引擎主要用在大型的卡车，其引擎周期有低应力、高效率的特性，因此引擎寿命较长，维护成本也较低。重负载的铁路也是因为类似原因选用柴油引擎为其理想动力来源。

其他没有火星塞的内燃机

许多模型飞机会用非常简单的电热式引擎（glow engines）或是迪塞尔引擎。电热式引擎有预热塞。迪塞尔引擎有可变的压缩比，两者都需要特别的燃料。

有些十九世纪其至更早期的实验引擎使用外部火焰来点火（尼古拉·卡诺就是以上述基础研究引擎的压缩性能），不过随着压缩比的增加，此作法比较少人使用。早期这类的研究也表示迪塞尔引擎有可能在没有电力协助时就已经发明出来。

参考资料

^ Eastop & McConkey 1993, Applied Thermodynamics for Engineering Technologists, Pearson Education Limited, Fifth Edition, p.137
^ The Diesel Engine. [2017-06-18]. （原始内容存档于2007-07-17）.

[1] Eastop & McConkey 1993, Applied Thermodynamics for Engineering Technologists, Pearson Education Limited, Fifth Edition, p.137

[2] The Diesel Engine. [2017-06-18]. （原始内容存档于2007-07-17）.

[1]

[2]

理想的迪塞尔循环

最大热效率

应用

柴油引擎

其他没有火星塞的内燃机

相关条目

参考资料